丰信生命科学

2024-06-27

导读：中心法则上下游组学各有分工，基因组相当于生命密码本，代谢组最为接近表型，机制研究的重担则很大比例落在转录组和蛋白组层面。虽同处于中心法则中游，转录组和蛋白组表达的信息有类似之处，但各有侧重。联合应用更

转录本丰度=蛋白质丰度？
RNA下游哪些蛋白质被有效产生，并进行生理调控？

背景

中心法则掲示了基因信息的流动，遗传信息被保存于DNA中，以RNA形式进行转移，被翻译成蛋白质，通过蛋白质执行各种生理功能，生成小分子代谢物，“DNA-mRNA-蛋白质-代谢物”作为一个整体，共同影响机体表型性状（图1）。

图1 分子生物学示例（DOI：10.1038/s41580-019-0108-4）

中心法则上下游组学各有分工，基因组学相当于生命的密码本，代谢组学最为接近表型，那么机制研究的重担很大比例落在转录组学和蛋白组学层面上。虽同处于中心法则的中游，转录组学和蛋白组学表达的信息有类似之处，但是各有侧重。

以DNA为模板合成RNA的转录过程是基因表达的起始。与基因组不同的是，转录组的定义包含了时间和空间的限定。同一细胞在不同的生长时期及生长环境下，其RNA表达并非完全相同。同时，同一种组织表达几乎相同的一套RNA以区别于其他组织，如：脑组织或心肌组织等分别只表达全部基因中不同的部分而显示出组织的特异性。目前通过测序技术掲示RNA表达差异，阐释遗传信息如何转变为表型，是比较常用的手段之一。

蛋白质作为基因功能的效应分子，通过mRNA进一步翻译而成，参与机体新陈代谢活动，同时也是细胞结构的组成部分。类似于RNA表达，蛋白质的表达也具有时空特性。比如不同器官表达的蛋白质不同（心、脑、肾等），不同生长阶段表达的蛋白质同样存在差异（比如小蝌蚪和青蛙，毛毛虫和蝴蝶/飞蛾等）。借助质谱技术掲示蛋白表达差异，阐释遗传信息在功能层面的体现，亦是机制解析中常用的手段。

RNA丰度≠蛋白质丰度

既然转录组学和蛋白组学都具有时空特性，都能通过表达差异反映扰动状态下生命体所做的调整，且转录组学发展更早，技术成熟，那么直接以RNA丰度代表蛋白质丰度岂不省事？

事实上，中心法则相关的生命科学的研究中，所围绕的核心在于“基因信息有多少被有效表达”。信息流从DNA→RNA→蛋白质→代谢物的传递过程，并非是简单的一一对应关系。特别是在环境扰动的情况下，RNA与蛋白质的丰度相关性在不同基因之间往往表现出显著的差异，二者丰度并不匹配，故不能直接以RNA丰度来反映蛋白质的丰度。

关于这点，蛋白组学领军人物Ruedi Aebersold在Cell期刊中进行过较为细致的分析。当机体处于稳定状态下，蛋白质丰度主要由RNA丰度决定；当环境发生变化，转录后和翻译后的过程可能会导致更多的改变（图2）。

图2 mRNA与蛋白质的动态关系（DOI：10.1016/j.cell.2016.03.014）

图2A和B展示了在稳定状态下，mRNA的水平决定了蛋白质的水平，二者可以呈现较好的线性关系，同时蛋白质的合成会有延迟。当生存环境发生变化，细胞会经历短暂的适应期。在适应期，通过改变转录本水平进行功能调控的方式太慢，细胞会偏向于提高现有转录本的翻译速率快速地合成新的所需蛋白，同时通过泛素化等方式目的性地降解蛋白质，加速无用蛋白和毒性蛋白的清理（图2B-D）。这种按需表达的机制可以保证在信号刺激时细胞可以快速地响应合成所需蛋白（图2C）。

蛋白的合成也受到细胞内能量和浓度的限制，造成在特定时间点上核糖体对转录本的使用差异（图2E）。同时，细胞中蛋白质丰度存在很大差异，上调高丰度蛋白的倍数比上调低丰度蛋白的倍数，需要更多的拷贝数。高丰度蛋白通常由高mRNA水平和高翻译率生成。但是，高丰度蛋白的生成速度已貌似饱和，表明整体的翻译率已成为大多数高丰度蛋白的限制。因此，高丰度蛋白通常只有较低的变化幅度，它们通常执行持家蛋白的功能（图2F）。另外，不同的空间，蛋白质与mRNA的相关性亦存在差异。即便在同一细胞中的不同区域，二者之间的关系也有不同（图2G）。

可见，简单的依据转录本丰度来预测蛋白质丰度并不合理。对于基因和表型的关系掲示，还需依赖于多维度多组学数据的严谨分析。

蛋白组学联合转录组学的必要性

现今通过质谱技术，我们可以实现对不同组别（处理组、模型组、空白组等）的生物样本中蛋白质的高通量表征。这些蛋白质丰度与转录组数据相关，且关系复杂。鉴于蛋白质是RNA的下游产物，是基因功能的最终证据，因此蛋白质组学研究是转录组学和基因组学的重要补充。

蛋白组学和转录组学的联合，有助于掲示基因表达和功能层面的关系。中心法则掲示了遗传信息的流向，亦需注意在信息的流动过程中有着众多的调控细节。在转录到蛋白质层面，涉及mRNA转录、加工、降解到蛋白质翻译、定位、修饰和程序性销毁。而这些动态过程，最终通过蛋白质种类和丰度反映。长期以来，如何监测这些动态过程对细胞蛋白质丰度的调节一直是悬而未决的问题。鉴于以往的蛋白组通量无法实现对蛋白质组丰度的大规模检测，通常只能以mRNA浓度作为相应蛋白质浓度的代理，从而假设转录本丰度是蛋白质的主要决定因素。然而，目前技术的进步，特别是质谱硬件的发展，Astral质谱仪以及4D质谱仪都能够满足蛋白组学检测的深度和通量（图3）。通过蛋白组学分析，研究者可以获悉哪些mRNA被有效翻译为蛋白质，从而揭示基因表达与功能执行之间的关系，对于理解生物体的正常生理过程和疾病状态至关重要。

图3 蛋白组学检测平台

比较转录组和蛋白组数据，可以发现RNA表达与其编码蛋白质的丰度之间的一致性或差异性。例如，有些基因在mRNA水平上高度表达，但其蛋白质丰度却很低，这可能是由于翻译后调控等因素。同时借助蛋白互作等分析，可以从复杂的生物数据中，挖掘出重要蛋白间相互作用关系。这些对于揭示复杂的基因调控机制和寻找新的生物标志物具有重要意义。